DE10045244C2 - Verfahren zur Signalübertragung in einem Funkkommunikationssystem - Google Patents

Description

Eine Methode zur Kapazitätssteigerung in Funkkommunikations­ systemen bei verbesserter Übertragungsqualität stellt die Nutzung adaptiver Antennensysteme für Basisstationen dar. Ein adaptives Antennensystems wird durch ein Feld von mehreren Einzelantennen gebildet, welche in einer Matrixschaltung mit­ einander verknüpft sind. Durch eine Steuerung von Phasen- und Amplitudenbelegung an den Einzelantennen werden bevorzugte Hauptstrahlrichtungen eines adaptiven Antennensystems einge­ stellt. Durch eine Einstellung von Hauptstrahlrichtungen ei­ nes adaptiven Antennensystems werden im wesentlichen diskrete Strahlungskeulen (Beam) herausgebildet, die auf Teilnehmer­ stationen innerhalb einer Funkzelle ausgerichtet sind. Daher wird durch adaptive Antennensysteme nur noch der tatsächlich relevante Bereich einer Funkzelle abgedeckt.

Werden von einem adaptiven Antennensystem Funksignale in ei­ nem eng begrenzten Sektor abgestrahlt, so sinkt die Gefahr von Interferenzen in bezug auf die gesamte Umgebung der je­ weiligen Basisstation. Unter Verwendung adaptiver Antennensy­ steme sinkt aufgrund der schmalen und richtungsoptimierten Strahlungskeulen außerdem die Wahrscheinlichkeit, daß Mobil­ stationen in benachbarten Funkzellen Gleichkanalstörungen er­ fahren. Adaptive Antennensysteme bewirken nicht nur beim Downlink eine Verbesserung des Signal-Störabstandes, sondern auch beim Uplink. Betreiber von Mobilfunknetzen können die Vorteile durch adaptive Antennensysteme zur Qualitätsverbes­ serung, zur Erhöhung von Datenübertragungsraten und für ein kleineres Wiederholungsmuster der Trägerfrequenzen mit ent­ sprechender Kapazitätssteigerung nutzen.

Für eine effiziente Nutzung von adaptiven Antennensystemen sind hochgenaue Funkkanalschätzungen erforderlich. Insbesondere bei Teilnehmerstationen, die sich mit einer hohen Ge­ schwindigkeit relativ zur jeweiligen Basisstation bewegen, sind hochgenaue Funkkanalschätzungen aufgrund von Mehrwege­ ausbreitung und Doppler-Effekten äußerst aufwendig.

Aus Ruly Lai-U Choi, Khaled B. Letaief und Ross D. Murch "MIMO CDMA Antenna Systems", Proceedings of ICC 2000, IEEE International Conference on Communications, 18.-20.06.2000, Bd. 2, S. 990-994 ist ein MIMO-CDMA-System bekannt, bei dem die Basisstation Signale mittels eines adaptiven Antennenar­ rays an eine Mobilstation sendet und die Mobilstation eben­ falls über ein adaptives Antennenarray verfügt. Zur Realisie­ rung eines optimalen Signal-Rauschverhältnisses werden Ge­ wichtungsfaktoren für die adaptiven Antennenarrays ermittelt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur hochratigen Datenübertragung in einem Funkkom­ munikationssystem anzugeben, welches auf hohe Geschwindigkei­ ten von Teilnehmerstation relativ zu Basisstationen ausgelegt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den ab­ hängigen Ansprüchen zu entnehmen.

Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß in Funkkommunikationssystemen, bei denen sowohl Downlink- als auch Uplink-Signale mittels adaptiver Antennen­ einrichtungen gesendet und empfangen werden, mit MIMO-Funk­ kanälen (Multiple Input Multiple Output) die Zeitvarianz von Funkkanälen auf verhältnismäßig einfache Weise durch eine Er­ mittlung von diskreten Doppler-Verschiebungen bestimmt und kompensiert wird. Die mehrfachen Ein- und Ausgänge von MIMO- Funkkanälen werden durch Einzelantennen der jeweiligen sen­ der- bzw. empfängerseitigen adaptiven Antenneneinrichtung ge­ bildet. Insbesondere bei Teilnehmerstationen, die sich mit einer höheren Geschwindigkeit relativ zu einer Basisstation bewegen, stellt die hohe Zeitvarianz zugehöriger Funkkanäle ein Problem dar, das bisher nur durch aufwendige adaptive Entzerrung gelöst werden konnte. Eine adaptive Entzerrung von Funksignalen, die über stark zeitvariante Funkkanäle übertra­ gen werden, ist mit der vorliegenden Erfindung nicht mehr notwendig.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Funkzelle mit einer Basisstation und zwei mo­ bilen Sende-/Empfangseinrichtungen,

Fig. 2 eine Anordnung mit einer Basisstation, einer mobi­ len Sende-/Empfangseinrichtung, einer Signalverar­ beitungseinrichtung und einer Teilnehmerstation.

In der in Fig. 1 dargestellten Funkzelle CELL sind eine Ba­ sisstation BS und zwei mobile Sende-/Empfangseinrichtungen MT1, MT2 angeordnet. Eine erste mobile Sende-/Empfangsein­ richtung MT1 ist auf einem Kraftfahrzeug VEH1 montiert, das sich mit einer Geschwindigkeit V1 relativ zur Basisstation BS bewegt. Eine zweite mobile Sende-/Empfangseinrichtung MT2 ist auf einem Zug VEH2 montiert, der sich mit einer Geschwindig­ keit V2 relativ zur Basisstation BS bewegt. Sowohl die Basis­ station BS als auch die beiden mobilen Sende-/Empfangsein­ richtungen MT1, MT2 weisen jeweils eine nicht näher darge­ stellte adaptive Antenneneinrichtung auf. Für eine Signal­ übertragung zwischen der Basisstation BS und den beiden mobi­ len Sende-/Empfangseinrichtungen MT1, MT2 werden an den adap­ tiven Antenneneinrichtungen Hauptstrahlrichtungen einge­ stellt. Dadurch werden Strahlungskeulen BEAM1 bis BEAM4 her­ ausgebildet, die auf die mobilen Sende-/Empfangseinrichtungen MT1, MT2 bzw. die Basisstation ausgerichtet sind. Von der Ba­ sisstation BS an die mobilen Sende-/Empfangseinrichtungen MT1, MT2 gesendete Signale werden nicht nur über direkte Aus­ breitungspfade PATH1, PATH2 übertragen, sondern durch Mehrwe­ geausbreitung und Reflexionen beispielsweise an den Gebäuden B1 bis B4 bedingt auch über Nebenausbreitungspfade SUB-PATH1 bis SUB-PATH4. An den mobilen Sende-/Empfangseinrichtungen MT1, MT2 werden somit zahlreiche unterschiedlich zeitverzö­ gerte und gedämpfte Kopien eines zugehörigen Originärsignals empfangen.

In einer der ersten bzw. der zweiten mobilen Sende-/Empfangs­ einrichtung MT1, MT2 zugeordneten Signalverarbeitungseinrichtung DSP1, DSP2 werden für die von der Basisstation BS gesen­ deten Signale diskrete Doppler-Verschiebungen ermittelt. Die Ermittlung der diskreten Doppler-Verschiebungen erfolgt für jeden dominanten Ausbreitungspfad. In der Anordnung in Fig. 2 ist die der ersten mobilen Sende-/Empfangseinrichtung MT1 zugeordnete Signalverarbeitungseinrichtung DSP1 detaillierter dargestellt. Für die der zweiten mobilen Sende-/Empfangsein­ richtung MT2 zugeordnete Signalverarbeitungseinrichtung DSP2 gelten die nachfolgenden Ausführungen in gleicher Weise.

Aus den ermittelten Doppler-Verschiebungen wird bei einer Funkkanalschätzung die Zeitvarianz von Funkkanälen bestimmt. Die Doppler-Verschiebungen bzw. Zeitvarianzen werden neben weiteren Übertragungskanalparametern, wie Einfallswinkel, Dämpfung und Zeitverzögerung, entsprechend einem mehrdimen­ sionalen Unitary-ESPRIT-Verfahren in einem Kanalschätzer CHS1 der Signalverarbeitungseinrichtung DSP1 ermittelt. Das mehr­ dimensionale Unitary-ESPRIT-Verfahren ist detailliert in M. Haardt und J. Nossek "Simultaneous Schur-Decomposition of Se­ veral Non-Symmetric Matrices to Achieve Automatic Pairing in Multi-Dimensional Harmonic Retrieval Problems", IEEE Transac­ tions on Signal Processing, S. 161-169, Bd. 46, Januar 1998 beschrieben und wird hier nicht weiter behandelt. Die Funkka­ nalschätzungen werden in Zeitabständen durchgeführt, die von der Geschwindigkeit V1 der mobilen Sende-/Empfangseinrichtung MT1 bzw. des Kraftfahrzeugs VEH1 abhängig sind. Da die Zeit­ varianz eines Übertragungskanals aufgrund der stärkeren Dopp­ ler-Verschiebungen bei höheren Geschwindigkeiten größer ist als bei niedrigen Geschwindigkeiten, sind die Zeitabstände für die Funkkanalschätzungen bei höheren Geschwindigkeiten entsprechend niedriger.

Nach der Schätzung der Übertragungskanalparameter für jeden aufgelösten Ausbreitungspfad werden zu den mittels der ersten mobilen Sende-/Empfangseinrichtung MT1 empfangenen Signalen gehörige Originärsignale in einem Maximalverhältniskombinie­ rer MRC durch Maximalverhältniskombinieren rekonstruiert.

Nachfolgend werden die rekonstruierten Originärsignale über eine drahtgebundene Schnittstelle IF1 an eine Teilnehmersta­ tion UE1 im Kraftfahrzeug VEH1 übermittelt. Im Kraftfahrzeug VEH1 ist eine drahtgebundene Schnittstelle aufgrund der Ab­ schirmwirkung durch die Karosserie, der Störwirkung auf ande­ re elektrische Komponenten, des geringen Verkabelungsaufwan­ des und der Kosten zweckmäßiger als eine drahtlose Schnitt­ stelle. Im Zug VEH2 werden die rekonstruierten Originärsigna­ le dagegen über eine abschnittsweise drahtlose Schnittstelle IF2 zu Teilnehmerstationen UE2, UE3, UE4 im Zug VEH2 übermit­ telt. Die rekonstruierten Orignärsignale werden von der zur zweiten mobilen Sende-/Empfangseinrichtung MT2 zugeordneten Signalverarbeitungseinrichtung DSP2 drahtgebunden zu einem nicht näher dargestellten Repeater in einem Wagon des Zuges VEH2 übertragen. Von dort aus werden die rekonstruierten Orignärsignale über eine Funkschnittstelle oder eine Blue­ tooth-Schnittstelle zur jeweiligen Teilnehmerstation UE2, UE3, UE4 übertragen.

In entsprechender Weise werden von einer Teilnehmerstation UE1, UE2, UE3, UE4 im Kraftfahrzeug VEH1 oder im Zug VEH2 ge­ sendete Signale an die Basisstation BS übertragen. Die Signa­ le werden zunächst an die jeweilige mobile Sende-/Empfangs­ einrichtung MT1, MT2 übermittelt und von dort aus mittels der jeweiligen adaptiven Antenneneinrichtung in einer Strahlungs­ keule BEAM3, BEAM4 gerichtet an die Basisstation BS gesendet. In einer nicht näher dargestellten Signalverarbeitungsein­ richtung der Basisstation BS werden diskrete Doppler-Ver­ schiebungen für die mittels der adaptiven Antenneneinrichtung der Basisstation BS empfangene Signale ermittelt. Zu den mit­ tels der adaptiven Antenneneinrichtung der Basisstation BS empfangenen Signalen gehörige Teilnehmeroriginärsignale wer­ den dann mit Hilfe der ermittelten diskreten Doppler-Ver­ schiebungen rekonstruiert.

In Fig. 2 sind die Signalverarbeitungseinrichtung DSP1 und die Teilnehmerstation UE1 in einem Teilnehmerendgerät TE1 zusammengefaßt. Die drahtgebundene Schnittstelle IF1 zwischen der Signalverarbeitungseinrichtung DSP1 und der Teilnehmer­ station UE1 ist also geräteintern. In Kraftfahrzeugen ist dies beispielsweise aufgrund des geringeren Montageaufwandes von Vorteil. Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, die Si­ gnalverarbeitungseinrichtung DSP1 in die mobile Sende-/Emp­ fangseinrichtung MT1 zu integrieren.

Die vorliegende Erfindung ist nicht allein auf die hier be­ schriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Signalübertragung in einem Funkkommunikati­ onssystem, bei dem
von einer Basisstation (BS) mittels einer ersten adaptiven Antenneneinrichtung Signale gesendet werden,
die von der Basisstation (BS) gesendeten Signale durch ei­ ne Sende-/Empfangseinrichtung (MT1, MT2) mittels einer zweiten adaptiven Antenneneinrichtung empfangen werden,
in einer Signalverarbeitungseinrichtung (DSP1, DSP2) dis­ krete Doppler-Verschiebungen für die mittels der zweiten adaptiven Antenneneinrichtung empfangenen Signale ermit­ telt werden,
zu den mittels der zweiten adaptiven Antenneneinrichtung empfangenen Signalen gehörige Originärsignale anhand der ermittelten diskreten Doppler-Verschiebungen rekonstruiert werden,
die rekonstruierten Originärsignale über eine drahtlose und/oder drahtgebundene Schnittstelle (IF1, IF2) von der Signalverarbeitungseinrichtung (DSP1, DSP2) zu mindestens einer Teilnehmerstation (UE1-UE4) übermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
von einer Teilnehmerstation (UE1-UE4) Signale an die Sen­ de-/Empfangseinrichtung (MT1, MT2) übermittelt werden,
die von der Teilnehmerstation (UE1-UE4) übermittelten Si­ gnale von der Sende-/Empfangseinrichtung (DSP1, DSP2) mit­ tels der zweiten adaptiven Antenneneinrichtung Signale ge­ sendet werden,
die von der Sende-/Empfangseinrichtung (DSP1, DSP2) gesen­ deten Signale durch die Basisstation (BS) mittels der er­ sten adaptiven Antenneneinrichtung empfangen werden,
in der Basisstation (BS) diskrete Doppler-Verschiebungen für die mittels der ersten adaptiven Antenneneinrichtung empfangenen Signale ermittelt werden,
zu den mittels der ersten adaptiven Antenneneinrichtung empfangenen Signalen gehörige Teilnehmeroriginärsignale anhand der in der Basisstation (BS) ermittelten diskreten Doppler-Verschiebungen rekonstruiert werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppler-Verschiebungen für eine Bestimmung der Zeitvarianz von Funkkanälen ermittelt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Originärsignale und/oder die Teilnehmeroriginärsignale mittels Funkkanalschätzungen und Maximalverhältniskombinieren rekonstruiert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkkanalschätzungen nach ei­ nem mehrdimensionalen Unitary-ESPRIT-Verfahren durchgeführt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkkanalschätzungen in Zeit­ abständen durchgeführt werden, die von der Geschwindigkeit (V1, V2) der Sende-/Empfangseinrichtung (MT1, MT2) relativ zur Basisstation (BS) abhängig sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die rekonstruierten Originärsi­ gnale über eine Bluetooth-Schnittstelle von der Signalverar­ beitungseinrichtung (DSP1, DSP2) zur Teilnehmerstation (UE1- UE4) übermittelt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die rekonstruierten Originärsi­ gnale über eine Funkschnittstelle von der Signalverarbei­ tungseinrichtung (DSP1, DSP2) zur Teilnehmerstation (UE1-UE4) übermittelt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrich­ tung (DSP1) und die Teilnehmerstation (UE1) Bestandteile ei­ nes Teilnehmerendgerätes (TE1) sind.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrich­ tung (DSP1) Bestandteil der Sende-/Empfangseinrichtung (MT1) ist.